История разработки БВС «Трансформер»
ООО «ОКБ «Кулон» в тесной кооперации с рядом компаний разрабатывает масштабируемую платформу распределенных силовых установок. Первой фазой проекта стал проект «Разработка силовой установки, интегрированной с планером БПЛА вертикального взлета и посадки», поддержанный на конкурсе «Развитие-НТИ-I» (2016-2017 г). Конечной целью проекта является перспективное региональное транспортное беспилотное воздушное судно (БВС) «Аэротакси» предназначенное для перевозки грузов, а в перспективе, и людей в пределах региона в условиях безаэродромного базирования. Основной потребитель — транспортные компании, занимающиеся авиационными перевозками.
В рамках «большого» проекта транспортного БВС с вертикальным взлетом и посадкой (ВВП) с распределенной силовой установкой (РСУ) и взлетным весом до 1300 кг создается динамически подобный стенд в масштабе 1:10 для отработки взлетно-посадочных режимов. На основе стенда разрабатывается летный образец транспортного БВС грузоподъемностью до 50 кг, с дальностью до 120 км. Имеется предзаказ на 100 шт. и согласованное с заказчиком техническое задание (ТЗ), а также два соглашения о проведении испытаний в горах (Горный Алтай, база Томского государственного университета) и на полигоне в Крыму (база Севастопольского государственного университета). Проект был рассмотрен на заседании Экспертной рабочей группы эРГ «Аэронет» 19.02.2019 и 14.05.2019 и получил поддержку.
Выполненные на первом этапе исследования показали, что приблизиться к технологическим барьерам в области БВС с ВВП, используя традиционные методы и схемы силовых установок, невозможно. Параметрический анализ привел к схеме БВС с ВВП, у которого РСУ выполнялась с центральным газотурбинным двигателем (ГТД) и синхронным высокочастотным генератором.
Отсутствие масляной смазки и воздушные подшипники с рекордной несущей способностью
Новизна конструкции РСУ состояла в применении гибридных воздушных статодинамических подшипников (ГСДП), технология которых с 2012 г. развивается в ООО «ЦТТ Кулон». Значительная часть исследований выполнена в Университете ИТМО. Конструкция самих ГСДП и силовых установок с их использованием защищена многочисленными патентами. К настоящему моменту компанией впервые в мире испытаны газодинамические лепестковые подшипники (ГДП) и ГСДП для авиационного применения, позволяющие выдерживать перегрузку до 6g и применяться на роторах массой до 120 кг. Ранее в авиации ГДП применялись только в малых турбохолодильных аппаратах системы вентиляции и кондиционирования воздушного судна (ВС). Применение в РСУ ГСДП и ГДП придало всей силовой установке принципиально новые качества: отсутствие масляной системы, пожаробезопасность, практически неограниченный ресурс опор ротора. Высокая жесткость и несущая способность ГСДП позволила раскручивать ротор до более высоких скоростей, чем это было принято ранее, соответственно уменьшая габариты и массу лопаточных машин и ротора электрического генератора. Уже после окончания первого контракта, в 2018 г. был разработан новый жесткий ротор синхронного генератора, установленный на усиленные ГДП новой конструкции, с несущей способностью, близкой к ГСДП, но существенно более простыми и дешевыми.
Пропульсивные аэродинамические профили
Инновации, примененные в конструкции РСУ, позволили уменьшить габариты и массу ГТД и генератора примерно на ⅓. Однако этого недостаточно для обеспечения требуемых летно-технических характеристик (ЛТХ) БВС ВВП. На первом этапе проекта в рамках контракта с Фондом ФСИ были разработаны и исследованы так называемые пропульсивные аэродинамические профили, отличающиеся от обычных тем, что в верхней критической точке (точке торможения в обычных условиях) производится отбор воздуха через щель на верхней поверхности профиля. Отобранный с верхней поверхности воздух направляется в силовую установку, а оттуда может направляться в собственное сопло двигателя или в щелевое сопло, расположенное на задней кромке крыла. За щелью на верхней поверхности профиля располагается тяговый участок, т.е. сила давления такова, что создает тягу. За счет большой площади тягового участка крыла эффективность создания тяги примерно на ⅓ выше, чем в обычном двигателе. На первом этапе проекта, в рамках контракта с Фондом ФСИ, было выполнено численное и натурное исследование прямоугольных сегментов крыла, которое показало, что без применения механизации коэффициент подъемной силы Cy может достигать 3,5 . При этом крыло создает тягу, т.е. увеличение подъемной силы приводит не к росту сопротивления, как обычно, а к увеличению тяги. По окончании контракта первого этапа были выполнены исследования различных компоновок БВС с ВВП, использующих принципы пропульсивного крыла. Исследования подтвердили полученные ранее результаты.
Выполненный параметрический анализ показал, что традиционная схема мультикоптера с частотным управлением винтами применима на легких БВС со взлетным весом до 30 кг. Гибридная схема с центральным электрическим генератором и газотурбинным двигателем выигрывает при мощности силовой установки от 250 — 350 кВт. В промежутке необходимо использовать винты с изменяемым шагом, индивидуальный привод от микро-ГТД или механическую трансмиссию с центральным двигателем внутреннего сгорания (ДВС) или ГТД.
Оригинальные аналитические методики оптимизации конструкции
На первом этапе работ были разработаны оригинальные методики решения обратной задачи аэродинамики и аэроупругости, что позволило проводить разработку облегченных лопастей винтов, лопаточных машин и элементов несущей системы планера с параметрами, близкими к оптимальным.
Целевой сегмент мирового рынка аналогов
Из-за высокой инерции мощных двигателей и больших роторов, БВС вертикального взлета изготавливаются либо по дорогостоящей классической вертолетной схеме, либо как мультикоптер с практической грузоподъемностью до 10–15 кг и временем автономной работы до 20–30 мин. Признанные технологические лидеры (Hoverbike (США), E-Volo (ФРГ), E-Hang (КНР), понимая фундаментальные ограничения электрических аккумуляторов, заявляют о будущих перспективах использования ДВС в своих аппаратах по схеме последовательного гибрида, которая имеет существенные ограничения и высокую стоимость. Попытка в лоб обойти фундаментальные ограничения приводит к созданию сложных дорогостоящих аппаратов как e-Volo с 18 двигателями (грузоподъемность до 200 кг) и с малым временем автономной работы как Griff 300 (20 минут).
Компания продолжает разработки.